Todos sabemos pelas lições da ciência da computação que as informações dentro de um computador são transmitidas usando zeros e uns, mas descobriu-se que a maioria das pessoas de TI com quem eu me comunico (e muito boas!) Têm pouca idéia de como, no entanto, o computador funciona.
Como fazer areia fazer o que queremos dela?Para a maioria das pessoas, o conhecimento de um dispositivo de computador termina no nível de seus elementos constituintes - um processador, uma placa de vídeo, RAM ... Mas o que exatamente acontece dentro desses retângulos pretos depois que a energia é aplicada é mágico. Neste artigo (provavelmente, até uma série de artigos), tentarei explicar em linguagem simples como esses retângulos misteriosos são organizados.
Montando um computador a partir de átomos
Começaremos o caminho do conhecimento a partir do nível mais baixo de abstração - a partir do nível dos átomos. Todos sabemos que quase todos os eletrônicos são baseados em silício, mas por que silício?
De uma maneira boa, você precisa seguir um curso completo de dispositivos semicondutores, mas descreverei os pontos fundamentais que permitirão que você veja uma imagem mais estruturada e clara do que está acontecendo.
Orbitais e níveis de energia
Por exemplo, tome o átomo mais simples - hidrogênio. O núcleo de hidrogênio consiste em um próton e possui apenas um elétron, que (simplificado para maior clareza de apresentação) gira em uma órbita circular.
Em vez disso, dirá que a órbita não é circular, mas esférica, isto é, o elétron cria uma
concha ao redor do núcleo. De acordo
com o princípio de Pauli , não mais que dois elétrons podem girar em uma dessas órbitas em um átomo. Os orbitais não são apenas de forma esférica (os chamados orbitais S), mas também, por exemplo, em forma de halteres (orbitais P).
Orbitais formam
subníveis : por exemplo, dois orbitais S formam um subnível S que pode acomodar dois elétrons; três orbitais P formam um subnível P, ele já pode encaixar 6 elétrons devido ao arranjo mutuamente perpendicular dos orbitais no espaço. Em subníveis de orbitais de forma mais complexa, um número maior de elétrons pode ser colocado (D, F, G, H, I - os subníveis contêm 10, 14, 18, 22, 26 elétrons, respectivamente).
Quanto mais complexa a forma da concha e mais distante o elétron do núcleo, maior sua energia. A figura à direita mostra um exemplo dos níveis de energia que um elétron pode ocupar em um
único átomo .
As duas últimas palavras são destacadas por um motivo: quando átomos vizinhos aparecem, a imagem muda.
Por exemplo, se começarmos a reunir dois átomos de hidrogênio, o sistema, como você sabe, tenderá a minimizar a energia. Portanto, para combinar dois átomos de hidrogênio separados em uma molécula de H2, isso deve ser energeticamente benéfico!
E, de fato, os níveis de energia dos elétrons de cada átomo são divididos, formando dois subníveis - o superior e o inferior, que se tornam comuns à agora
molécula de hidrogênio. Como você pode ver, o subnível inferior tem menos energia do que em um único átomo de hidrogênio, então os elétrons o ocupam e formam uma molécula, reunindo os núcleos, como tiras.
Átomos em um cristal
Se continuarmos a aumentar o número de átomos vizinhos, então dentro dos valores extremos de energia dos níveis de divisão, dois átomos vizinhos terão novos estados de energia (na forma de uma estrutura fina adicional). Com um número suficientemente grande de átomos vizinhos (isto é, no cristal de uma substância), os estados permitidos discretos se fundem em "bandas"
- são a banda de valência, a banda de condução e a faixa proibida que são familiares a muitos.
Transportadoras e Condutividade
Os elétrons que possuem energia na faixa de valência não participam da transferência de carga através do cristal: eles "se assentam" firmemente em ligações e, para que um elétron se mova ao redor do cristal, ele precisa ter um nível de energia mais alto. Isso pode ser feito dando-lhe energia que excede a diferença de banda. Nesse caso, a ligação covalente é rompida e um local vago permanece na faixa de valência - um "buraco" carregado positivamente.
O silício tem temperatura ambiente suficiente para que as vibrações térmicas do cristal quebrem ligações covalentes, formando portadores de carga livre - buracos e elétrons.
Semicondutores e dielétricos
Os valores característicos do gap de banda nos semicondutores são de 0,1 a 4 eV. Os cristais com uma folga de banda superior a 4 eV são geralmente referidos como dielétricos.
Semicondutores do tipo p e n
Tudo isso é fascinante, mas seria bastante inútil sem se
dopar com impurezas.
Se o átomo da rede cristalina de silício ou germânio tetravalente for substituído pelo átomo pentavalente do elemento do grupo V da tabela periódica, os quatro elétrons de valência do átomo de impureza estarão envolvidos na formação de ligações covalentes. O quinto elétron não participa da formação de ligações covalentes, está fracamente ligado ao núcleo e, portanto, pode facilmente entrar na banda de condução e se tornar um
transportador de carga livre , deixando um
íon fixo e carregado positivamente . Essa impureza é chamada de doador e o semicondutor resultante é chamado
de semicondutor do tipo n (negativo).
Se o átomo da rede cristalina de silício ou germânio tetravalente for substituído por um elemento trivalente, ele poderá formar apenas 3 das 4 ligações covalentes na rede, uma vez que exigirá um elétron de outra ligação covalente para formar a quarta. Nessa combinação, um local vazio é formado - um buraco móvel carregado positivamente e, ao mesmo tempo, um
íon de impureza
fixo carregado negativamente permanece. Essa impureza é chamada
aceitadora e o semicondutor resultante - semicondutor
do tipo p (positivo).
Chamo a atenção para o fato de que um
semicondutor intrínseco, um semicondutor do tipo n ou p são eletricamente neutros e têm um número igual de cargas positivas e negativas. A única diferença é que, nos semicondutores dopados, as cargas do "espelho" nos elétrons e nos buracos são íons de impureza fixos que se assentam firmemente na estrutura cristalina. Em um semicondutor não dopado, o número de elétrons livres é igual ao número de orifícios, enquanto em um semicondutor dopado (por exemplo, um doador), o número de elétrons excede o número de orifícios, uma vez que a maioria deles é substituída por íons de impureza fixos.
Diodo
Se agora conectar um semicondutor do tipo n com um semicondutor do tipo p, obteremos um diodo. A propósito, um diodo real tem pouco em comum com sua imagem esquemática, mas essa é outra história.
Considere o que acontece na fronteira dos semicondutores. O n-semicondutor tem uma alta concentração de elétrons e o p-semicondutor é baixo. Os elétrons, como o gás, começam a se mover (difusos) de uma região com alta concentração para uma região com uma mais baixa.
Buracos de um p-semicondutor farão o mesmo.
Devido a deslocamentos, surge uma
corrente de difusão devido ao gradiente de concentração dos portadores de carga. Ao atravessar a fronteira, as operadoras de cargas móveis expõem íons de impurezas imóveis, que criam um campo direcionado de maneira oposta ou “parando” ou, caso contrário, compensando a
corrente de desvio .
Na ausência de um campo externo, essas correntes se equilibram. Se o campo externo for aplicado na direção, ele compensa o campo de íons estacionários e abre o amortecedor para a corrente de difusão.
Se o campo for aplicado na direção oposta, ele amplifica apenas a corrente de desvio, que é insignificante em comparação com a corrente de difusão.
Assim, obtemos um elemento que conduz corrente em uma direção e não conduz na outra.
Lógica do diodo resistor
Como estamos falando de tecnologia digital, observamos que com a ajuda de um diodo já é possível realizar os elementos lógicos
AND e
OR :
Mas, para criar um sistema
funcionalmente completo de funções lógicas, com base no qual você pode obter qualquer função lógica, não podemos prescindir do elemento
NOT .
Para criar esse elemento, precisamos de um transistor.
Transistor
De fato, um transistor é um circuito de dois diodos conectados na direção oposta. Na ausência de tensão no eletrodo do meio (base), a corrente não flui entre os outros eletrodos.
Tendo criado a diferença de potencial entre o emissor (eletrodo com uma concentração aumentada de portadores de carga) e a base fina, criamos um fluxo de portadores de carga minoritários do emissor para a base e, no caso de um transistor pnp, orifícios.
Como a concentração de orifícios no emissor é aumentada e a base é fina, seu volume é preenchido com orifícios e passa de um semicondutor do tipo n para um semicondutor do tipo p, conectando o emissor e o coletor.
Inversor
Depois de conectar o transistor npn da seguinte forma, obtemos um inversor: se houver um log 1 na base, o transistor abre e conecta a saída ao terra - log 0. Se houver um log 0 na base - o transistor está bloqueado e a saída é puxada para a energia - log 1.
Assim, obtemos uma chave eletrônica controlada por tensão que permite criar um elemento lógico
NÃO e, consequentemente, um sistema funcionalmente completo de funções lógicas.
Nesta nota, terminamos com física, elétrons e buracos: temos tudo o que precisamos para criar um dispositivo de computação.
Como fazer com que os elementos lógicos calculem, memorizem e executem instruções é descrito no próximo artigo.
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